機載訓練系統的仿真與實現
2012-04-12 00:00:00邵帆
現代電子技術 2012年5期
摘 要：為了實現對機載訓練系統的仿真，采用1553B總線、以太網兩種接口的設計方法，基于總線聯網技術構建的機載訓練系統，可以達到高度的信息綜合和資源共享。首先給出系統設計思想和功能。然后運用結構化、模塊化、功能化的思想，建立系統總體模型，并對其中的顯示控制仿真、環境仿真、火控解算、通信管理和數據庫進行詳細建模，為了提升1553B總線系統性能，進行了總線系統消息傳輸方案優化。最后完成了系統仿真，驗證了此系統的可行性和正確性。
關鍵詞：機載訓練系統； 顯示控制； 通信管理； 消息分配
中圖分類號：
TN91934
文獻標識碼：A
文章編號：1004373X(2012)05
0029
03
Simulation of airborne combat training system
SHAO Fan
(China Airborne Missile Academy， Luoyang 471009， China)
Abstract：
In order to carry out the simulation of airborne combat training system， the methods of 1553B bus and Ethernet network were adopted. A high level of resource integration and information sharing through the bus networking technology to build the airborne combat training system was achieved. Firstly， the method and function are analyzed. Secondly， the system total model which used the thought of structure， modular and standardized is established， and the display control simulation， environment simulation， fire control simulation， communication management simulation and data management simulation are built up. Message communication of bus system is optimized for advancing system capability. Finally， the simulation is completed which shows its feasibility and correctness are validated.
Keywords： airborne combat training system; display control; communication management; message distribution
收稿日期：20110914
0 引 言
機載訓練系統是指在所使用的裝備自身上完成訓練的系統，是在作戰系統、子系統、設備上嵌入或增加的能夠使操作人員更加熟練地掌握各項技能提供的訓練系統。其本質是嵌入在裝備內部或增加到裝備上的功能所提供的訓練系統，用來提高并維持操作和維修裝備所必需的技能［12］。機載訓練系統具有節能、經濟、安全、不受場地和氣象條件的限制、縮短訓練周期、提高訓練效率等特點，這對于真實場景模擬、培訓操作人員、新功能測試等方面有重要意義。
基于總線聯網技術構建的機載訓練系統可以達到高度的信息綜合和資源共享，從而有效實現機載訓練系統的顯示和控制功能。機載訓練系統仿真采用1553B總線標準與武器外掛、數據處理等系統之間進行串行通信，采用以太網進行主仿真系統與飛行控制仿真系統之間通信［3］，對飛行數據實時監測，對其他子系統進行功能仿真，并且為了平衡總線負載和消息延遲時間兩個指標，進行總線系統消息傳輸方案優化，提升了總線性能。整個系統設計具有高可靠性和實時性。
1 機載訓練系統總體設計
機載訓練系統的仿真采用自上而下的系統設計方法，構成一個閉環系統，包含顯示控制系統、飛行控制系統、任務機系統、外掛管理系統、數據處理系統。其中飛行控制系統駐留在飛行仿真計算機中；顯示控制系統和任務機系統駐留在主仿真計算機中；武器外掛管理系統和數據處理系統駐留于嵌入式計算機中。主仿真計算機通過以太網接口與飛行仿真計算機進行數據交互，通過1553B總線與嵌入式計算機交聯，嵌入式計算機作為總線上的一個RT，主仿真計算機進行1553B總線控制，控制總線上的信息接收、傳輸以及信息處理，將系統關鍵信息反饋給操作人員。
2 機載訓練系統功能
按照仿真系統設計思想，機載訓練系統分為五個部分：顯示控制仿真模塊、環境仿真模塊、火控解算模塊、通信管理模塊、數據庫模塊。環境仿真模塊將系統需要的各種飛行參數，通過1553B傳遞給顯示控制仿真模塊，通信管理模塊進行數據的分發，數據庫模塊進行數據的存儲和管理，最終在顯示控制仿真模塊界面進行顯示。
機載訓練系統通過虛擬周邊按鍵，模擬飛行員觸摸屏，實現觸摸控制和畫面切換。畫面更新通過以太網UDP協議發送至主仿真計算機，主仿真計算機控制數據實時驅動。機載訓練系統的顯控系統包含多功能顯示器和平顯仿真器。多功能顯示器通過周邊鍵操作，可改變工作狀態，完成相關任務，進行相應畫面驅動，包含自檢畫面顯示、導航顯示、雷達顯示、導彈參數顯示、敵我態勢顯示等；平顯仿真器主要用于顯示高度、速度、航向、姿態等飛行數據，對飛行數據進行監控［4］。
3 系統軟件設計
機載訓練系統軟件采用物理仿真，主要包含顯示控制仿真、環境仿真、火控解算、通信管理仿真、數據庫。由于采用模塊化的設計結構，大大提高了系統可靠性、可維護性和可擴展性。機載訓練系統軟件仿真結構圖如圖1所示。
3.1 顯示控制仿真
顯示控制仿真主要進行多功能顯示器仿真、平顯畫面的仿真、任務分配與管理。按照模塊化思想，分為初始化模塊、控制模塊、顯示模塊、數據處理模塊。
初始化模塊：完成硬件初始化和軟件初始化，主要包含板卡的打開與加載，數據通道的打開等。
控制模塊：該模塊主要完成系統狀態控制、通信控制以及顯示控制，即根據子系統的相應狀態以及虛擬鍵的相關操作，確定系統運行狀態與工作方式的控制與切換。
顯示模塊：包括多功能顯示器顯示和平視顯示器顯示。系統發送給多功能顯示器畫面信息，多功能顯示器通過周邊鍵切換完成不同任務界面的顯示，包含自檢畫面顯示、導彈參數顯示等；平視顯示器實時顯示飛行數據以及飛機的狀態變化。
數據處理模塊：對將要發送的數據根據系統相應的ICD協議，進行實時編碼；對接收到的有關數據塊根據ICD協議，進行實時解碼，根據系統人員的操作，完成信息實時處理和圖形字符的產生。
3.2 環境仿真
環境仿真包含載機模塊、目標模塊、地理地貌模塊。載機模塊建立載機模塊模型，生成相應航跡數據，仿真中可以設置、監控飛行參數，控制飛機飛行。目標模塊建立目標運動相關參數，控制目標的飛行方式。地形地貌模塊建立地形地貌數據，其每一個基本單元都包含有特定地理特性，生成相關地理地貌模塊。
3.3 火控解算
機載訓練系統火控解算主要是空對空的武器瞄準發射計算，根據雷達跟蹤目標參數以及本機參數，完成相應方式武器攻擊區的計算［56］，控制武器的發射，將相應結果輸出給平顯、多功能區域顯示。
3.4 通信管理
信息傳輸的可靠性對于系統的總體運行至關重要，通信管理仿真包含以太網模塊和1553B數據總線管理模塊。以太網模塊包含數據發送模塊與數據接收模塊。因為UDP通信協議的實時性比較高，因此采用UDP協議進行數據的收發，確保數據傳輸的實時高效。1553B數據總線管理模塊包含總線驅動、總線數據發送模塊、總線數據接收模塊，控制1553B總線上信息的傳輸，監控1553B總線上的數據。
機載訓練仿真系統在顯示控制系統和飛行控制系統之間采用以太網通信，并且可以對飛行數據實時監測，對相關功能模塊仿真，在顯示控制系統和其他子系統之間采用1553B總線進行串行通信。1553B總線通信系統的性能可以用總線負載和消息延遲時間率這兩個指標來評價。總線負載是傳輸消息所需時間與通信系統總的激活時間的比值，它反映了系統的可擴充性；延遲時間率是消息的實際傳輸時間與最大允許的延遲時間的比值，它反映了系統傳輸消息的效率和實時性［7］。
為了合理平衡這兩個重要指標，對總線上傳輸的消息進行優化分配。優化消息分配為合理地安排總線上的各類消息，使得總線消息傳輸達到總線均衡，即是在滿足每條消息最大延遲時間要求的前提下，合理確定每條消息的相位，使得總線各處消息的延遲時間率達到均衡，并以此生成最優效率的總線通信系統傳輸層軟件。優化消息分配法的處理過程分為兩步：排序處理和機制插入處理。排序處理是為了整理隨機排列的消息塊文件，排序的原則是：按消息塊最大允許延遲時間由小到大進行排序；具體相同最大允許延遲時間的消息塊以消息量大小由大到小排序。機制插入處理是依據總線控制協議更新檢測傳輸的機理，通過發送矢量字方式指令檢測數據是否更新。機制插入處理完成將矢量字方式指令插入到需檢測的消息或消息塊之前的操作［89］。優化的消息分配表如圖2所示。
依照圖2的優化消息分配法，每條消息的傳輸相位總是安排在用于消息傳輸時間最小的小周期中，從而各個小周期用于消息傳輸時間的差異不會超過一條消息的傳輸時間，總線的平均延遲時間率是均衡的，而且此優化方案的解是惟一的。
優化的消息分配法，相對于簡單的消息分配，有一個重要特征就是取消了簡單分配法下的每個小周期的寂靜期，傳輸周期是變化的，一個周期完成之后并沒有寂靜期，而是馬上開始新的周期［10］。優化的消息分配法是對周期性消息傳輸方式的一種合理改進，它的消息安排來源于后者，只是在消息數量上有所增加，增加了對消息更新與否的矢量查詢。
4 系統仿真
機載訓練系統仿真首先通過FLSIM軟件進行飛行數據的獲取，然后根據UDP協議，通過發送程序，把數據分發給各個子系統，子系統根據相應需求進行相關處理和分配，主程序在1553B總線信息管理下，最終把相關數據發送到各個視景界面，通過虛擬按鍵的操作，進行視景畫面驅動。
其中系統仿真界面如圖3所示，整個仿真主界面成品字型，符合真實飛機應用環境，系統包含20個虛擬按鍵，通過按鍵操作，進行實時動態顯示，及時反映飛行狀態。武器外掛信息顯示畫面如圖4所示，對飛行數據的實時顯示與監控畫面如圖5所示。由飛行數據查看界面可知，飛行數據實時準確，符合仿真技術要求。
系統給操作人員提供飛行視景模擬，使操作人員更加感性地認識整個機載訓練系統的工作原理，對相關設計提出要求，從而進行系統性能和功能改進，達到更好地為操作人員提供訓練的目的。
5 結 語
本文給出了機載訓練系統的功能和組成，按照機載訓練系統的頂層設計和系統模塊化建模的思想，進行了系統仿真，系統運行穩定可靠，達到設計技術指標要求。此系統運用到相關操作人員訓練和保障中，在實際工程應用中收到良好的效果。
參 考 文 獻
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作者簡介：
邵 帆 男，1983年出生，河南濮陽人，碩士，助理工程師。主要研究方向為空空導彈武器系統的總體設計。
